11081
.pdf
Влияние совместной работы колонокучитывают по зависимости:
( )
где - диаметр, при котором происходит фактическое смыкание ледогрунтовых цилиндров;
- расстояние между колонками, м.
Горизонтальный разрез мерзлотной завесы
На практике по формуле ( ) можно посчитать диаметры льдогрунтовых цилиндров d, образующихся в первую зиму, затем по
зависимости ( ) назначить шаг между колонками [Руководство,
1976].
250
Расчетные, натурные и экспериментальные данные о работе воздушных замораживающих колонок
Данные расчета воздушной замораживающей системы плотины Иреляхского гидроузла, подтвержденные натурными наблюдениями:
t= 1824 часа – время работы системы в первую зиму; Δϑ 10°С – разность температур входящего и
выходящего воздуха в колонке;
d 2,0 м – диаметр льдогрунтовых цилиндров, намороженных в первую зиму;
= 1,5 м – шаг между колонками [Руководство,
1976].
Изменение радиуса промерзания грунтов во времени для парных и одиночных колонок в плотине Сытыканского гидроузла: 1 – парные колонки диаметром 219 мм; 2 – одиночная колонка диаметром 159 мм [Макаров, 1985]
Зависимость между временем и радиусом намораживания льдогрунтовых цилиндров в песчаном талом грунте разной плотности с температурой 6,5°С: m – коэффициент
пористости грунта [Немцев, 1983] |
251 |
Результаты расчета мерзлотной завесы в фильтрующем грунте
В процессе создания завесы фильтрационный поток, омывая льдогрунтовые цилиндры вокруг замораживающих колонок, передает им часть своего тепла, замедляя процесс намораживания.
Для аварийного фильтрующего участка эксплуатируемой плотины мерзлого типа Сытыканского гидроузла проводились расчеты замораживающей системы с колонками парожидкостного типа при следующих параметрах: коэффициент фильтрации в зоне замораживания 0,5 – 1,0 м/сут; шаг колонок 1,5 м. Получалось, что надежная мерзлотная завеса может быть создана в течении трех зим [Федосеев, 2009].
252
Понятие о расчете температурного режима фильтрующих талых земляных плотин
Рассматривается однородная земляная плотина, возведенная из грунта с положительной температурой на мерзлом основании. Плотина будет фильтрующей.
Развитие среднегодовых температурных процессов в теле и основании плотины будет происходить следующим образом.
а). Часть тела плотины от гребня и низового откоса, расположенная выше кривой депрессии, будет промерзать под воздействием отрицательной среднегодовой температур воздуха.
б). Основание водохранилища в удалении от плотины будет оттаивать под воздействием тепла воды водохранилища.
в). Основание плотины буде оттаивать под воздействием тепла,
переносимого фильтрационным потоком, следующим в дренаж. |
253 |
Математически процессы нестационарной теплопередачи в однородном грунте тела и основания фильтрующей земляной плотины описываются нижеследующими уравнениями.
Талая нефильтрующая зона: кондуктивная теплопередача, уравнение Фурье
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мерзлая зона: кондуктивная |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теплопередача, уравнение |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фурье: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фильтрующая талая зона: теплопередача вынужденной |
Граница раздела талого и мерзлого грунта: |
|||||||||||||||||||||
конвекцией+кондукцией, уравнение Фурье-Кирхгофа |
условие Стефана |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к – коэффициент фильтрации; Н – напор; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
, |
- объемная |
теплоемкость грунта и воды; |
- коэффициент конвективной |
||||||||
теплопроводности. |
|
|
|
|
|
|
|
254 |
|||
Расчеты ведут на ЭВМ. Фильтрационная задача
решается в одной программе вместе с тепловой. Для этого вышеприведенные уравнения представляют в конечных разностях. Система уравнений решается для всей расчетной области в целом методом простой интеграции.
Расчетным путем на примере прослежено развитие среднегодовых температурных процессов в теле и основании фильтрующей земляной плотины [Февралев, 1979].
255
Понятие о расчете температурного режима каменно-земляных плотин
Температурный режим каменно-земляной плотины формируется под влиянием процессов тепло- и массообмена, протекающих в верховой призме, противофильтрационном элементе, переходных зонах, низовой призме и основании.
Элементы каменно-земляной |
|
|
|
|
|
|
|
плотины, различающиеся |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|||
превалирующими факторами |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
формирования температурного |
|
|
|
|
|
|
|
режима |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1Превалирующими факторами в формировании температурного режима верховой призмы, противофильтрационного элемента, переходных зон и основания являются кондукция, конвективный перенос тепла при фильтрации воды и фазовые превращения воды.
2Температурный режим низовой призмы есть следствие более сложных процессов: теплообмена между камнем и влажным воздухом в порах наброски, конвективного переноса тепла при движении (вынужденном и свободном) этого воздуха, фазовых превращений влаги, находящейся в
воздухе. |
256 |
В порах каменной наброски низовой призмы циркулируют конвективные потоки воздуха, направленные в летний период сверху вниз, а зимой – снизу вверх. Эти потоки являются причиной сезонных изменений температурного режима низовой призмы. Скорость потоков и интенсивность изменения температур с течением времени снижаются в связи с заполнением пор наброски льдом [Панов, 2016].
Вилюйского гидроузла
257
Математическая модель тепломассопереноса в элементах плотины строится при следующих допущениях:
-каменная наброска недеформируема во времени, теплофизические характеристики составляющих наброску фаз – камня, льда, воздуха, воды
ипара – не зависят от температуры;
-движение воды в порах наброски низовой призмы отсутствует;
-отсутствует теплообмен между составляющими твердой фазы наброски – камнем и льдом;
-поры материала, через который фильтруется вода, полностью ею заполнены;
- скорости движения воздуха и водяного пара совпадают и равны , также совпадают между собой температуры камня и льда и равны ϑ, воздух и водяной пар полностью заполняют поровое пространство наброски, не занятое льдом;
-плотность воздуха незначительно изменяется во времени и поэтому принимается постоянной;
-фильтрация воды рассматривается установившейся и ламинарной.
Полная система уравнений тепло- и массопереноса для многокомпонентной системы, каковой является каменная наброска, должна содержать уравнения неразрывности, движения, энергии и зависимости для различных коэффициентов. Ниже приведены основные
уравнения системы. |
258 |
|
1 Уравнения теплопереноса для основания, противофильтрационного элемента
ипереходных зон.
1.Уравнение теплопереноса в скелете грунта:
(1)
где индекс «г» означает принадлежность к грунту противофильтрационного элемента, переходных зон и основания плотины;
-объемная теплоемкость грунта;
–температура грунта;
–время;
–декартовые координаты;
-коэффициент теплопроводности грунта;
-объемный коэффициент теплообмена между скелетом грунта и водой в порах;
–температура воды;
-плотность льда;
–пористость грунта;
–удельная теплота фазовых превращений воды;
- насыщенность пор грунта льдом. |
259 |
|